Diseño de una impresora 3D y componentes para aplicaciones de mecánica de fluidos

Abstract

En proyectos de investigación y trabajos en disciplinas como ingeniería, arquitectura y física, es común encomendar la fabricación de componentes específicos, modelos y prototipos a empresas externas. Las tecnologías de impresión 3D han surgido como una alternativa para reducir los costos y los tiempos de espera que suelen estar asociados con la subcontratación de este tipo de trabajos. El propósito de este trabajo es abordar la creación integral de una impresora 3D desde cero. Inicialmente, se realiza un análisis del mercado de impresoras 3D y se elabora una lista de componentes críticos que definirán las especificaciones de la impresora a diseñar, acorde a un presupuesto establecido. A continuación, se procede al diseño completo del hardware de la impresora. Esto involucra la creación de una estructura sólida y un armazón que servirán como base de la máquina. Se incorporan diferentes mecanismos que se basan en sistemas de correas, motores y husillos, permitiendo que la impresora pueda moverse y llevar a cabo impresiones en los tres ejes principales. Se diseña un cabezal de impresión que incluye el extrusor, así como el sistema de calefacción y ventilación necesarios para el manejo del filamento de impresión. Además, se implementa toda la electrónica requerida para que la máquina pueda llevar a cabo sus funciones. Una vez que el diseño físico de la impresora está completo, se aprovecha la plataforma Arduino y el firmware Marlin para codificar e implementar todas las funcionalidades y especificaciones de la máquina. Se desarrollan las funciones relacionadas con el movimiento del hardware, la extrusión y la calefacción, además de incorporar mecanismos de protección, limitación de movimiento y memoria, lo que permite que la máquina sea altamente adaptable y personalizable incluso después de su construcción. Se introduce el software externo necesario para controlar la impresora y gestionar las impresiones. Utilizando herramientas como Printrun y sus extensiones Pronterface y Pronsole, se explica el proceso de ajuste, seguimiento y calibración de la impresora mediante una interfaz gráfica y el lenguaje de comandos G-code. Adicionalmente, se brinda una breve introducción a un programa de laminación de archivos 3D, esencial para convertir las piezas en secuencias de comandos comprensibles para la impresora. Como un objetivo adicional, se han desarrollado componentes para un proyecto del grupo de Física de Fluidos y Microfluídica del Departamento de Mecánica de Fluidos. La necesidad de obtención de estos componentes inspiró el diseño de la impresora 3D por lo que deben de ser replicables por la impresora en caso de que sea construida. Se ofrece un análisis detallado de los componentes desarrollados, su funcionalidad y sus esquemas.

In research projects and endeavors within fields such as engineering, architecture, and physics, it is commonplace to delegate the manufacturing of specific components, models, and prototypes to external companies. 3D printing technologies have emerged as an alternative to mitigate the costs and waiting times typically associated with outsourcing such tasks. The aim of this work is to undertake the comprehensive creation of a 3D printer from scratch. Initially, an analysis of the 3D printer market is conducted, followed by the compilation of a list of critical components that will define the specifications of the printer to be designed, all in accordance with a predetermined budget. Subsequently, the complete hardware design of the printer is undertaken. This encompasses crafting a robust structure and frame that will serve as the foundation of the machine. Various mechanisms are incorporated, relying on belt systems, motors, and screws, enabling the printer to move and execute prints along the three principal axes. A printing head is designed, inclusive of the extruder, as well as the requisite heating and ventilation systems for filament management. Furthermore, all necessary electronics are implemented to facilitate the machine's functionalities. Once the physical design of the printer is finalized, the Arduino platform and Marlin firmware are harnessed to encode and implement all functionalities and specifications of the machine. Functions pertaining to hardware movement, extrusion, and heating are developed, alongside the incorporation of safeguards, motion constraints, and memory mechanisms, endowing the machine with high adaptability and customization even after its construction. External software necessary for printer control and print management is introduced. Utilizing tools like Printrun and its Pronterface and Pronsole extensions, the process of calibration, tracking, and adjustment is elucidated through a graphical interface and G-code command language. Additionally, a brief introduction to a 3D file slicing program is provided, which is essential for converting parts into understandable command sequences for the printer. As an additional objective, components have been developed for a project for the Fluid Dynamics and Microfluidics Group of the Department of Fluid Mechanics. The requirement for these components inspired the design of the 3D printer, thus necessitating their replicability by the printer in the event of its construction. A detailed analysis of the developed components, their functionalities, and schematics is presented.